高周波スイッチ
【課題】スイッチの操作面前方にて使用者の手や指が接近または横断する移動方向を精度良く識別し、負荷を駆動するスイッチを提供する。
【解決手段】電波ビームを複数の方向へ放射し、各放射方向毎に被検知体の動きを周波数に換算し、検知信号として外部に出力するセンシング１１手段と、前記検知信号に基づいて、前記被検知体が前記センシング手段１１の前方を横断する移動方向を算出し、識別信号として外部に出力する動作方向識別手段３１と、前記識別信号に基づいて、直接または間接的に負荷を駆動するための駆動信号を出力する負荷駆動手段４１と、負荷の駆動を操作する操作面５２とを有する高周波スイッチであって、複数の方向へ放射される電波ビームは全て、前記操作面５２に対し鉛直方向から所定の方向へ傾けて放射される。
【解決手段】電波ビームを複数の方向へ放射し、各放射方向毎に被検知体の動きを周波数に換算し、検知信号として外部に出力するセンシング１１手段と、前記検知信号に基づいて、前記被検知体が前記センシング手段１１の前方を横断する移動方向を算出し、識別信号として外部に出力する動作方向識別手段３１と、前記識別信号に基づいて、直接または間接的に負荷を駆動するための駆動信号を出力する負荷駆動手段４１と、負荷の駆動を操作する操作面５２とを有する高周波スイッチであって、複数の方向へ放射される電波ビームは全て、前記操作面５２に対し鉛直方向から所定の方向へ傾けて放射される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用者が負荷を駆動するためのスイッチ技術に関し、特に、電波ビームを利用したスイッチ技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、埋込型の配線器具として使用されるスイッチにおいて、電波ビームを利用したドップラーセンサを内蔵し、スイッチに接近する使用者の手や指の動きを検出して負荷を駆動するスイッチが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１６４７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術記載のスイッチは、内蔵したドップラーセンサによりスイッチ前方へ電波ビームを放射し、スイッチの操作面に接近する使用者の手や指の動きに対し出力されたアナログ的な検知信号に基づいて負荷を駆動制御している。
しかしながら、スイッチ操作は用途に応じて様々であり、機械的に接点を接触させるスイッチについても押しボタン式とスライド式があるように使用者の手や指がセンサに接近したことを検知し負荷を駆動制御するスイッチだけでは全ての用途に対して対応できない。例えば、水栓機器においては上下左右にレバーを操作し水栓から吐水される水の温度や流量を切り替えているが、使用者が慣れ親しんだ操作をスイッチ操作で行おうとした場合、使用者の手や指がセンサ前方を横断する移動方向を識別し負荷を駆動する必要がある。
一方、被検知体の移動速度が一定のときドップラーセンサから出力される検知信号について、センサ前方から被検知体が接近する動作とセンサ前方を被検知体が横断する動作とを比較したとき、前者は、常に同じ周波数の検知信号が出力され、被検知体の移動速度が速いほど周波数が高く、逆に被検知体の動きが遅くなり停止状態に近づくほど周波数が低い検知信号が出力される。検知信号の振幅電圧は周波数の高低に依存し、周波数が高いと大きくなり周波数が低いと小さくなる。しかし、後者は図１２に示すように被検知体の移動速度に関係なくセンサの中心に近づくほど低い周波数の検知信号が出力されるため、被検知体がセンサ前方を横断する移動速度が速くても、センサの中心部では周波数が極端に低い検知信号が出力される。
従って、電波ビームが放射される放射面に対し鉛直方向に電波ビームを放射するドップラーセンサを略平坦な操作面の背後に複数、並べて配置し、操作面に対し鉛直方向に複数の電波ビームを切り替えながら放射するスイッチだと、各ドップラーセンサから出力される検知信号の周波数や電圧振幅値に基づいて、スイッチ前方における被検知体が横断する移動方向を、正確に識別することは困難であり、誤検知により使用者が意図しない負荷が駆動する可能性がある。
【０００５】
従って、本発明の目的は、スイッチの操作面前方にて使用者の手や指が接近または横断する移動方向を精度良く識別し、負荷を駆動するスイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、電波ビームを複数の方向へ放射し、各放射方向毎に被検知体の動きを周波数に換算し、検知信号として外部に出力するセンシング手段と、前記検知信号に基づいて、前記被検知体が前記センシング手段の前方を横断する移動方向を算出し、識別信号として外部に出力する動作方向識別手段と、前記識別信号に基づいて、直接または間接的に負荷を駆動するための駆動信号を出力する負荷駆動手段と、負荷の駆動を操作する操作面とを有する高周波スイッチであって、複数の方向へ放射される電波ビームは全て、前記操作面に対し鉛直方向から所定の方向へ傾けて放射されることを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成するために請求項２記載の発明は、複数の方向へ放射される電波ビームは、前記操作面の中心点を基準とし略対称となる方向に放射されることを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成するために請求項３記載の発明は、前記センシング手段は、電波ビームを繰り返し、複数の方向へ所定の切替順序および切替速度にて放射し、各放射方向毎に被検知体の動きを周波数に換算し順次、検知信号として外部に出力するドップラーセンサであることを特徴とする。
【０００９】
上記目的を達成するために請求項４記載の発明は、前記センシング手段は、送信波を発生する発振器と、前記送信波が直接、供給される給電素子と、該給電素子が励振することにより励起される複数の無給電素子と、複数の前記無給電素子に各々、接続され高周波信号の通過または遮断を選択できる複数の切替スイッチと、複数の前記切替スイッチの切替順序および切替速度を制御する電波方向制御回路と、前記送信波と前方に放射された前記送信波が前記被検知体に衝突し反射して戻ってきた反射波との周波数の差分を抽出する検波器とを備え、複数の前記無給電素子は、前記給電素子を中心として略対称な位置に配置されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、スイッチの操作面前方にて使用者の手や指が接近または横断する移動方向を精度良く識別し、負荷を駆動するスイッチを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明における高周波スイッチについて説明する。
尚、以下実施例における図面の基板の厚みやパターン寸法は説明の都合上、実際の形状とは異なる。
図１は、本発明における高周波スイッチの第１実施形態を示す、ブロック図である。
【００１２】
本発明の高周波スイッチは、検知エリア内における手や指、或いは足等の被検知体の動きを認識するためのセンシング手段として、電波ビームを繰り返し、複数の方向へ所定の切替順序および切替速度にて放射し、各放射方向毎に被検知体の動きを周波数に換算し順次、検知信号として外部に出力するドップラーセンサ１１と、ドップラーセンサ１１から出力された検知信号に基づいて、被検知体がドップラーセンサ１１の前方を横断する移動方向を算出し、識別信号として外部に出力する動作方向識別手段３１と、動作方向識別手段３１から出力された識別信号に基づいて、直接または間接的に負荷を駆動するための駆動信号を出力する負荷駆動手段４１とを備え、ドップラーセンサ１１から電波ビームが放射される放射面の前方に所定の間隔を設け、且つ放射面と平行に図示しない操作面５２が配置される。
【００１３】
ドップラーセンサ１１は、電波ビームとして前方に放射される送信波を発生する発振器１２と、送信波が直接、供給される給電素子２と、給電素子２が励振することにより励起される複数の無給電素子３ａ、３ｂと、複数の無給電素子３ａ、３ｂに各々、接続され高周波信号の通過または遮断を選択できる複数の切替スイッチ８ａ、８ｂと、複数の切替スイッチ８ａ、８ｂの切替順序および切替速度を制御する電波方向制御回路２１と、送信波と前方に放射された送信波が被検知体に衝突し反射して戻ってきた反射波との周波数の差分を抽出する検波器１４とを備え、複数の無給電素子３ａ、３ｂに各々、接続された切替スイッチ８ａ、８ｂを適宜、切り替えることにより、電波ビームを複数の方向へ放射することができる。また、ドップラーセンサ１１は電波ビームを利用しているため陶器や樹脂を透過する性質を有しているため、放射面の前方に配置される図示しない操作面５２の材質が陶器や樹脂であれば、ほぼ同じ電波ビームの放射形態にて前方に電波ビームを放射できる。また、本発明の高周波スイッチは非接触にて操作が可能なためドップラーセンサ１１の放射面自体を操作面５２として使用することもできる。以下、実施例において操作面５２について説明を省略するが、電波ビームの放射面は操作面５２の背後にあり、電波ビームの放射形態に殆ど影響を与えないことを前提としている。
【００１４】
動作方向識別手段３１は、複数の方向へ電波ビームが放射され、１巡する毎に、ドップラーセンサ１１から出力された検知信号に基づいて、各放射方向における被検知体からの反射強度の順位を算出し、順位信号として外部に出力する第１演算部３２と、順位信号に基づいて、被検知体の移動方向を算出し、識別信号として外部に出力する第２演算部３４とを備え、検知エリア内における被検知体の移動方向を識別することができる。
【００１５】
負荷駆動手段４１は、予め識別信号に対し動作させる負荷を設定する負荷設定手段３２と、動作方向識別手段３１から出力された識別信号と負荷設定手段３２の設定に基づいて駆動信号を出力する負荷駆動回路３３とを備え、検知エリア内における被検知体の移動方向に応じて、負荷を駆動するための駆動信号を有線または無線にて出力することができる。
【００１６】
図２は、本発明における高周波スイッチの第１実施形態を示す、（ａ）正面図および（ｂ）側面図である。
図２に示す高周波スイッチは、ドップラーセンサ１１と動作方向識別手段３１とを一体化して備えており、基板１ａの一方の表面には発振器１２と検波器１４と検知信号を増幅する図示しない信号増幅回路を配置し、金属ケース１５によりシールドしている。発振器１２（電界効果トランジスタと誘電体共振器を利用し送信波を生成）にて生成された送信波は給電孔５を介し基板１ａの他方の表面に形成された給電素子２に供給される。給電孔５はインピーダンスが５０Ωとなる給電素子２の内部（Ｌ１＜Ｌ２）に設けられているため、給電素子２のみが基板１ａ表面に形成された場合、給電素子２から放射される電波ビームは基板１ａ面（以下、放射面）に対し鉛直方向、且つ励振方向側の直径が長い楕円形状として前方に放射される。給電素子２は使用周波数の約半波長（λｇ／２：λｇ…基板１ａを伝搬する高周波信号（送信波）の波長である。また、真空中における高周波信号の電波の波長をλ、基板１ａの比誘電率をεｒとすると、λ＝εｒ１/２・λｇである。）の長さＬを少なくとも一辺にもつ矩形状の薄膜電極である。
基板１ａの他方の表面には送信波が直接、供給される給電素子２と、給電素子２にて励起される給電素子２と略同一形状の複数の無給電素子３ａ、３ｂが給電素子２の励振方向と直交する端辺と対向する位置に各々、所定の間隔を空けて、給電素子２を基準とし略対称な位置に形成され、各無給電素子３ａ、３ｂの励振方向と直交し、且つ給電素子２と隣接しない端辺の略中央部には薄膜の伝送線路６ａ、６ｂの片端が各々、接続されている。そして、伝送線路６ａ、６ｂの他端には、基板１ｂに備えた電波方向制御回路２１から制御線９ａ、９ｂに所定の電圧を印加することにより高周波信号（送信波）を通過または遮断する切替スイッチ８ａ、８ｂの入力端が各々、独立して接続されている。切替スイッチ８ａ、８ｂの出力端は、基板１ａ内部の略全面に形成された高周波信号のグランドとして作用する接地電極４に導通孔７ａ、７ｂを介し各々、接続されている。切替スイッチ８ａ、８ｂは、使用周波数において高周波信号を通過または遮断できる機能を保有していれば良く、ダイオードや電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタ、トランジスタ等を複合し高機能化した半導体スイッチ（ＭＭＩＣ）、ＭＥＭＳスイッチ等を使用できる。例えば、切替スイッチ８ａ、８ｂに電界効果トランジスタを用いた場合、各ドレイン端子を入力端とし所定の長さに設定された伝送線路６ａ、６ｂの片端に、各ソース端子を出力端として接地電極４に各々接続し、各ゲート端子を制御線９ａ、９ｂに接続する。そして、電波方向制御回路２１からリード線１６ａ、１６ｂを介し制御線９ａ、９ｂに一定の直流電圧を印加すれば、各切替スイッチ８ａ、８ｂの入力端から出力端へ高周波信号を通過または遮断し、切替スイッチ８ａ、８ｂが一方の状態のときは各無給電素子３ａ、３ｂを導波器として、切替スイッチ８ａ、８ｂが他方の状態のときは各無給電素子３ａ、３ｂを反射器として各々、独立して作用させることができる。本発明の高周波スイッチは、無給電素子３ａが導波器として作用するとき無給電素子３ｂは反射器として作用し、無給電素子３ｂが導波器として作用するとき無給電素子３ａは反射器として作用するよう、電波方向制御回路２１にて制御される。従って、無給電素子３ａ、３ｂは給電素子と略同形状ではあるが、伝送線路６ａ、６ｂの長さを所定の長さに設定し切替スイッチ８ａ、８ｂを適宜、切り替えることにより無給電素子３ａ、３ｂの何れか一方を導波器、他方を反射器として作用させることができ、放射面に対し鉛直方向から所定の放射方向φ１（図中、上方向）と、放射方向φ２（図中、下方向）に指向性利得が比較的高い、電波ビームを放射することができ、被検知体の動きが小さくても比較的高い電圧振幅値を得ることができ、移動方向を識別することができる。さらに、給電素子２を中心として略対称な位置に無給電素子３ａ、３ｂを配置しているため、電波ビームの放射方向φ１と放射方向φ２のゲインは略同一となるため、基板１ｂに備えた動作方向識別手段３１にて各放射方向における被検知体からの反射強度の順位を算出すれば、被検知体の移動方向を容易に識別することが可能となる。給電素子２の略中心部を基準とし放射面に対し鉛直方向から傾いて放射される電波ビームの放射方向φ１、放射方向φ２とは、電波ビームの最大強度放射方向を指し、θ１およびθ２は放射面に対し鉛直方向から電波ビームが傾いている角度を指す。電波ビームの放射特性を考慮すると、θ１およびθ２が±５°の範囲は放射面に対し鉛直方向に電波ビームが放射されていると見なすことができる。
【００１７】
基板１ｂに備えた電波方向制御回路２１は、切替スイッチ８ａ、８ｂの切替順序および切替速度を制御するための図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置）と図示しない切替駆動回路とから構成され、ＣＰＵには予め切替スイッチ８ａ、８ｂの切替順序および切替速度に応じた切替信号が制御線９ａ、９ｂに出力されるようプログラミングされている。
電波ビームを複数の方向に切り替えて放射し、被検知体が動作する方向に応じて複数の負荷を駆動する複合機能（例えば、水栓から水または湯を吐水させる、吐水する流量や温度を切替る）のスイッチとして使用する場合、電波ビームを複数の方向に切り替えて放射すると、電波ビームの同一放射方向においてドップラーセンサ１１から連続的に検知信号を得ることができない。また、ドップラーセンサ１１から放射される電波ビームは、赤外線を利用したセンサと比較すると検知範囲（半値角）が広いため、例えば、放射面の中心を基準として対称となる２方向に電波ビームを切り替えて放射させたとき、最大強度放射方向は対称となっても電波ビームが重複する範囲が発生する。さらに、メインビームの放射方向とは略対称となる方向にサイドローブ（不要放射）が発生する。その結果、一方の電波ビーム放射方向側にて被検知体が動作していたとしても、２つの電波ビームの放射方向にて被検知体が動作している検知信号が得られ、ドップラーセンサから被検知体までの距離が短くなるほど、検知信号の周波数だけで被検知体が動作する方向を識別すると誤検知する可能性が高くなる。従って、各放射方向における検知信号の周波数から被検知体の動く方向を精度良く識別することは困難である。
【００１８】
そこで、切替スイッチ８ａ、８ｂを適宜、切り替え電波ビームの放射方向を制御する際、電波ビームの切替速度は１方向における電波ビームの放射時間により決定するが、使用者が負荷を駆動する意思があることを認識するため予め設定された被検知体が移動する最低移動速度と、ドップラーセンサの使用周波数に基づいて電波ビームの放射時間を設定することが望ましい。そうすれば、検知エリア内にて被検知体が動作する方向を各放射方向毎の電圧振幅値を比較することで容易に判別することができる。
特に、最低移動速度と使用周波数とから算出される検知信号の半周期から１周期にに要する時間に基づいて電波ビームの放射時間を設定すれば、小さい動き（動作時間が短い）でも精度良く判別できる。
【００１９】
また、電波ビームを３方向や４方向と多数の方向に切り替えて放射し、被検知体が動作する方向を識別したい場合、各放射方向における放射時間が長くなると複数の方向へ電波ビームを放射し１巡したときの時間が長くなるため、被検知体の移動速度が速くなる、被検知体の移動距離が短くなるほど、被検知体が動作する方向を識別することが困難となる。従って、使用者が負荷を駆動する意思があることを認識するため予め設定された被検知体が移動する移動速度と移動距離から算出された移動時間を、複数の方向へ切替えて放射される電波ビームの放射方向数で割った時間に基づいて電波ビームの放射時間を設定すれば、被検知体の移動速度が速くなっても検知エリア内で被検知体が動作する方向を各放射方向毎の電圧振幅値を比較することで容易に判別することができる。
【００２０】
被検知体の移動速度に対してドップラーセンサから出力される検知信号の周期（周波数）は、Ｖ＝Ｃ÷（２×Ｆｓ×Ｔ）より決定される。Ｖは被検知体の移動速度［メートル／秒］、Ｃは光速［３００×１０６メートル／秒］、Ｆｓは送信波の周波数［ヘルツ］、Ｔは検知信号の周期［秒］である。図３に示すグラフは、送信波の周波数が１０．５ＧＨｚ（移動体検知センサとして屋内での使用が国内で認められている周波数）と、２４．０ＧＨｚ（移動体検知センサとして屋内・屋外での使用が国内で認められている周波数）における被検知体の移動速度とドップラーセンサから出力される検知信号の周期との関係を示しているが、送信波の周波数が高くなるほど移動速度に対して検知信号の周期が短くなることがわかる。即ち、電波ビームを複数の方向へ切り替えて放射し被検知体の移動方向を検出する場合、送信波の周波数を高くするほど、被検知体の移動速度や移動距離の影響を受けなくなる。
【００２１】
電波方向制御回路２１から常時、切替信号を出力する必要は無く、検知エリア内に被検知体が進入したことをドップラーセンサ１１または別の検知手段により検知してから切替信号の出力を開始しても良い。そうすれば、省電力にて移動方向を識別できるスイッチを提供できる。
【００２２】
基板１ｂに備えた動作方向識別手段３１は、ドップラーセンサ１１から出力された検知信号を増幅する図示しない信号増幅回路と信号増幅回路にて増幅された検知信号に基づいて、検知エリア内における被検知体の移動方向を識別し負荷駆動手段に識別信号を出力するためのＣＰＵとから構成されている。
ドップラーセンサ１１から出力された検知信号を増幅する際、図示しない信号増幅回路（オペアンプ等）の増幅率を大きくし過ぎると検知信号の電圧ピーク値が電源電圧範囲内にて振り切れ、検知信号がサイン波から矩形波に変化してしまう。そうすると、各放射方向における検知信号の周波数から被検知体の動く方向を精度良く識別することが困難となる。従って、図４に示すように被検知体が検知エリアに存在しないときの検知信号の電圧値レベルは、被検知体が検知エリアの前方にて移動状態にあるときの検知信号がスイングする最大電圧範囲Ｖｓの略中央値Ｖ０に設定することが望ましい。そうすれば、各放射方向における検知信号の電圧振幅値から被検知体の動く方向を精度良く識別することができる。
【００２３】
増幅された検知信号は図示しないＣＰＵのアナログ電圧をデジタル電圧に変換する機能を有したＡＤ変換機能ポートに入力される。検知エリアにおける被検知体の連続した動きに対し、複数の方向へ電波ビームを放射しドップラーセンサ１１から出力された検知信号の電圧振幅値が所定の閾値を超えたとき、第１演算部３２にて電波ビームの放射方向が１巡する毎に、検知信号の電圧振幅値に基づいて、各放射方向における被検知体からの反射強度の比較を開始し、順位を算出する。
被検知体が手や指などの丸みを帯びた立体形状の場合、ドップラーセンサ１１から出力される検知信号は必ずしも電圧のプラス方向側とマイナス方向側に対称的なサイン波形として出力されない。従って、電波ビームの各放射方向毎に電圧値を比較する場合は、電圧振幅値で比較することが好ましい。さらに、検知信号の電圧振幅値は移動速度（周波数）に依存し増加減することを考慮すると、図４に示すように検知信号の略中央値をＶ０とすると、Ｖ０を基準として電圧振幅値を算出することが望ましい。Ｖ０よりも高い電圧にてピークが得られた点をＶｐ、Ｖ０よりも低い電圧にてピークが得られた点をＶｂとすると、振幅電圧値は（Ｖｐ−Ｖ０）−（Ｖ０−Ｖｂ）から算出すれば良い。そうすれば、電波ビームの放射方向が１巡する毎に各放射方向における被検知体からの反射強度の比較を行い、検知エリア内にて被検知体が動作する方向を容易に認識することができる。また、ＶｐがＶ０よりも低い場合やＶｂがＶ０よりも高い場合、ＶｐやＶｂはＶ０に置換して電圧振幅値を算出すれば、周波数が低くても被検知体の動きが連続であるか否かを容易に認識することができる。
【００２４】
複数の方向へ電波ビームを放射しドップラーセンサ１１から出力された検知信号の電圧振幅値が所定の閾値を超えてから、全ての放射方向において検知信号の電圧振幅値が所定の閾値を下回るまでの間、第１演算部にて算出された順位の算出結果を記憶手段３４に連続的に記憶する。このとき、反射強度が最も高い放射方向、検知エリア内にて被検知体が動作する方向となる。記憶手段３４として、ＣＰＵに内蔵しているＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）もしくはＣＰＵとは別に配置し高速動作でデータの読み書きを電気的に行なうＲＡＭを使用することができるが、電波ビームを放射し１巡する毎に順位を算出し、その結果だけを記憶手段３４に記憶するため、記憶容量が少なくＣＰＵに内蔵されたＲＡＭで対応できる。従って、高周波スイッチの製造コスト削減、コンパクト化を図ることができる。
【００２５】
複数の方向へ電波ビームを放射し１巡したとき、ドップラーセンサ１１から出力された検知信号のうち少なくとも１つの電圧振幅値が所定の閾値を超えたとき、反射強度の最も高い放射方向がドップラーセンサ１１の放射面、即ち操作面５２に被検知体が接近する方向である。例えば、図２に示す高周波スイッチにおいて電波ビームを放射方向φ１と放射方向φ２へと順次、切り替えて繰り返し放射しているとき、放射方向φ１にて検知信号の電圧振幅値が所定の閾値を超え、且つ被検知体からの反射強度が放射方向φ２よりも高い場合、放射方向φ１が被検知体の接近する方向となる。従って、第２演算部３３では放射方向φ１を基準として、記憶手段に記憶された放射方向φ１と放射方向φ２の順位の変化から、被検知体の移動方向を容易に識別することができる。ここでいう、被検知体の移動方向とは、高周波スイッチの操作面５２に対し被検知体が略平行に横断する移動方向、さらには操作面５２に対し被検知体が接近する移動方向とを指し、即ち、被検知体が操作面５２に対し上方向から下方向に移動したのか、下方向から上方向に移動したのか、それとも被検知体が操作面５２に対し上方向から接近してきただけなのか、下方向から接近してきただけなのか、を識別することができる。
そして、第２演算部３３から出力された識別信号に基づいて、負荷駆動手段４１から直接または間接的に負荷を駆動するための駆動信号を有線または無線にて出力する。
【００２６】
また、被検知体の動きが操作面５２に対し接近しているのか、それとも離遠しているのかを識別したい場合、複数の検波器４ａ、４ｂを備え、複数の検知信号をドップラセンサ１１から取り出せば、同一方向においてもその位相関係により被検知体が操作面５２に対して接近しているのか、それとも離遠しているのかを容易に識別することができる。
また、図２に示す高周波スイッチは、電波ビームを上下の２方向に切替えて放射しているため上下方向の1軸だけの識別だが、電波ビームを上下左右の４方向に切替えて放射すれば、２軸にて被検知体の移動方向を識別できる。
【００２７】
以上、本発明の高周波スイッチは、スイッチの操作面前方にて使用者の手や指が接近または横断する移動方向を精度良く識別し、負荷を駆動するスイッチを提供することができる。
また、使用者が非接触にて操作できることは勿論だが、使用者の手や指が操作面５２に触れていても、その移動方向を識別し負荷を駆動することができる。
【００２８】
本実施例のドップラーセンサ１１は、給電素子２と無給電素子３ａ、３ｂから放射される電波ビームを空間にて結合させ電波ビームを傾ける、いわゆる空間ビーム形成方式を採用しているが、基板１ａの他方の表面（放射面）に電力均等分配回路となる伝送線路にて互いに接続された複数の給電素子を形成し、各給電素子の給電点に接続される伝送線路の長さを切替スイッチ（ＳＰＤＴスイッチ等）により切替えて電波ビームを傾ける、いわゆるフェーズドアレイ方式を採用することもできる。但し、電波ビームの制御性や量産性（製造コスト）等を考慮すると、空間ビーム形成方式を採用したドップラーセンサの方が好ましい。また、空間ビーム形成方式は、比較的電波ビームの半値角が広い状態で放射面に対し鉛直方向から所定の方向へ傾けることができるため、手や指の横断する動きをセンシングする場合、電波ビームの放射方向をレーダのように細かく切り替えなくても簡単な切替えにて手や指の連続した動きを検出することができる。
【００２９】
また、給電素子と複数の無給電素子の形状は採用する偏波方式により任意に決定すれば良く、例えば、垂直偏波を採用する場合は略正方形状、円偏波を利用する場合は略正方形の角部を旋回方向に応じてカットすれば良い。
【００３０】
本実施例のドップラーセンサ１１は、放射面側に複数の切替スイッチ８ａ、８ｂを配置したが、放射面とは反対側に配置しても良い。発振器１２や検波器１４の省スペース化もしくは小型モジュール化を図り、切替スイッチ８ａ、８ｂを同一面に配置すれば、放射面に立体的に突出する部品が無くなりフラットにすることができるため、操作面５２の背後に設置しやすく製造時の取扱いが容易となる。
【００３１】
本実施例のドップラーセンサ１１は、基板１ａ内部に接地電極４を形成した積層基板１ａの一方の表面にアンテナ１３として作用する薄膜電極と、他方の表面に発振器１２および検波器１４を配置しているが、アンテナ１３として作用する基板と、発振器１２および検波器１４を配置する基板とを別体にしても良い。そうすれば、アンテナ１３の基板１を取り替えるだけで容易に検知エリアを変更することができる。
【００３２】
本発明の高周波スイッチは、ドップラーセンサ１１と電波方向制御回路２１と動作方向識別手段３１とを一体化して備えているため、電波方向制御回路２１と動作方向識別手段３１の説明にて前述したＣＰＵを兼用することができる。また、高周波スイッチに印加する電源電圧および負荷駆動手段４１から出力される駆動信号用の配線が高周波スイッチから外部に引き出されるだけなので、余計な配線（例えば、切替スイッチを切り替えるための配線）を外部に引き出す必要が無く取り扱いが容易である。
【００３３】
本発明の高周波スイッチは、電波ビームを複数の方向に切替えて放射し被検知体が接近または横断する移動方向を識別し、負荷を駆動するスイッチだが、図１１−（ａ）に示すように放射面５２に対し鉛直方向に電波ビームを放射する複数のドップラーセンサ１１ａ、１１ｂを操作面５２の背後に所定の角度だけ傾けて配置した高周波スイッチ、図１１−（ｂ）に示すように放射面５２に対し鉛直方向から所定の方向に電波ビームを傾けて放射する複数のドップラーセンサ１１ａ、１１ｂを操作面５２の背後に平行に配置した高周波スイッチ等、操作面に対し複数の方向へ放射される電波ビームが全て、鉛直方向から所定の方向に傾けて放射されていれば、操作面の前方にて被検知体が横断する方向を識別することができる。また、複数の方向へ放射される電波ビームが略対称となる方向に放射されると、さらに精度良く横断する方向を識別し、負荷を駆動することができる。
【００３４】
本実施例では、ドップラーセンサ１１から出力された検知信号を比較し易いように、信号を増幅する信号増幅回路、必要な周波数成分のみを抽出するフィルタ回路について詳細は記載していないが、必要に応じてドップラーセンサ１１や動作方向識別手段３１に備えれば良い。
【００３５】
高周波スイッチの操作面５２の前方を被検知体が一定の移動速度で横断する動作に対しドップラーセンサ１１から出力される検知信号は図１２に示すように被検知体の移動速度に関係なく操作面５２の中心に近づくほど低い周波数の検知信号が出力される現象が生じる。また、操作面５２の中心部前方付近は電波ビームが重複する領域でもあるため、この領域を被検知体の移動方向の算出に使用すると誤検知する可能性がある。従って、被検知体が操作面５２の前方を横断する方向を識別するスイッチとして、動作の始点または動作の終点と認識する検知領域を操作面５２の中心に設定することは好ましくない。
【００３６】
電波ビームを複数の方向へ放射したとき、複数の電波ビームが重複する領域を連続動作検知エリア、それ以外の領域を位置検知エリアとすると、図２に示す給電素子２を中心として対称な方向に電波ビームを放射する高周波スイッチの場合、電波ビームが重複しない領域（図中白抜きの部分）、ここでいう位置検知エリア１または位置検知エリア２の何れか一方を被検知体の動作の始点とし、他方を被検知他体の動作の終点とすることが望ましい。一方、電波ビームが重複する領域（図中黒塗りの領域）、ここでいう連続動作検知エリアは、操作面５２前方の被検知体の動きが連続であることを認識できる。給電素子２の前方、即ち操作面５２の中心部前方の領域を横断する被検知体の動きが連続した動きであれば、移動速度に関係なく操作面５２前方を被検知体が横断する動作して容易に識別し、負荷を駆動することができる。
【００３７】
位置検知エリアと連続動作検知エリアの設定は、用途や操作仕様に応じて決定すれば良く、位置検知エリアは検知強度が第一の閾値以上の領域であるとすると、連続動作検知エリアは、検知強度が第一の閾値以下で、且つ第二の閾値以上とする。ここでいう検知強度とは、赤外線や電波を正面に放射する強度、または赤外線や電波を正面に放射し被検知体に衝突し反射して戻ってくる反射強度（反射電力）を指す。本実施例では、電波ビームを複数の方向に切替えて放射し被検知体の移動方向を識別する高周波スイッチを例に挙げて説明するが、放射面に対し鉛直方向に電波ビームを放射する複数のドップラーセンサを操作面の背後に所定の角度だけ傾けて配置した高周波スイッチ、放射面に対し鉛直方向から所定の方向に電波ビームを傾けて放射する複数のドップラーセンサを操作面の背後に平行に配置した高周波スイッチ、あるいは赤外線を前方に照射し被検知体に衝突し戻ってきた反射電力により被検知体の有無を検出する複数の赤外線センサを操作面の背後に平行に配置したスイッチ、前方に存在する被検知体の熱により被検知体の有無を検出する複数の焦電センサを操作面の背後に平行に配置したスイッチ等、スイッチの操作面前方にて被検知体が接近または横断する移動方向を識別して負荷を駆動するスイッチ装置に適用することができる。
【００３８】
例えば、電波ビームを対称な２方向へ切り替えて放射し被検知体に衝突し反射して戻ってくる反射強度で位置検知エリアと連続動作検知エリアを設定する場合、反射強度が第一の閾値以上のときを『１』、第一の閾値以下で、且つ第二の閾値以上のときを『２』、第二の閾値以下のときを『０』とし、電波ビームの放射方向毎に検知信号の反射強度（電圧振幅値）の変化（放射方向φ１，放射方向φ２）として取得したとき、（１，０）⇒（１，２）⇒（２，２）⇒（２，１）⇒（０，１）と、必ず（２，２）または（２，０）または（０，２）の何れか１つが取得できるよう第１閾値と第２閾値を設定すれば、複数の位置検知エリアが重複する領域に連続動作検知エリアを設定することができる。連続動作検知エリアは検知信号の電圧振幅値が小さくなるため、移動方向の判定に使用すると誤検知する可能性があるため、連続動作検知エリアのみの検知情報、前述した例でいうと、（２，２）または（２，０）または（０，２）の何れかが、検知エリア内にて動作する被検知体の動きに対して、最初または最後に得られた場合は駆動信号を出力しないことが望ましい。
【００３９】
図５は、本発明における高周波スイッチの第２実施形態を示す、正面図である。
以下、前述した実施例と重複する部分の記載については説明を省略する。
図５に示す高周波スイッチは、図２に示した高周波スイッチに対し、ドップラーセンサ１１に備えた無給電素子３ａ、３ｂの配置が異なる。基板１ａの他方の表面には送信波が直接、供給される給電素子２と、給電素子２にて励起される給電素子２と略同一形状の複数の無給電素子３ａ、３ｂが給電素子２の励振方向と平行する端辺と対向する位置に各々、所定の間隔を空けて、給電素子２を基準とし略対称な位置に形成されている。複数の切替スイッチ８ａ、８ｂを適宜、切り替え無給電素子３ａ、３ｂの何れか一方を導波器、他方を反射器として作用させることで、電波ビームを放射面に対し鉛直方向から所定の放射方向φ３（図中、左方向）と、所定の放射方向φ４（図中、右方向）に切替えて放射することができる。放射方向φ３、φ４に放射される電波ビームは指向性利得に優れ、且つ半値角が比較的広いため、被検知体の動きが励振方向側の幅方向でバラついても比較的高い電圧振幅値を得ることができる。
【００４０】
図６は、図２に示した高周波スイッチと図５で示した高周波スイッチについて電波ビームの最大強度放射方向を比較した上面視図である。いずれも電波ビームは操作面５２に対し鉛直方向から傾いて放射されているが、図２に示した高周波スイッチの方が大きく傾いている（放射方向φ１、放射方向φ２）。これは給電素子２に対して複数の無給電素子３ａ、３ｂが配置される場所に関係する。給電素子のみが基板表面に形成された場合、給電素子から放射される電波ビームは放射面に対し鉛直方向に放射される。その放射形状は励振方向側の直径が長い楕円形状となり、励振方向と平行する方向の半値角は励振方向と直交する方向の半値角よりも広い。この電波ビームの放射形状が基準となり、給電素子２の周囲に配置された複数の無給電素子３ａ、３ｂの励振状態を切り替えて電波ビームを傾けているため、図２に示した高周波スイッチの方が大きく傾くことになる。
高周波スイッチの操作面５２対し接近する被検知体の動きを検知する場合、図５に示した高周波スイッチの方が傾き角度が少ないため、使用者が操作面５２に指や手を接近させる自然な動きに対応し負荷を駆動できる。逆に、図２に示した高周波スイッチは操作面５２の前方にて使用者が手や指を横断させる自然な動きに対応し負荷を駆動できる。
【００４１】
図７は、本発明における高周波スイッチの第３実施形態を示す、正面図である。図８は、同、タイミングチャートである。
図７に示す高周波スイッチは、図２に示した高周波スイッチに対し、ドップラーセンサ１１に備えたアンテナ１３が異なる。基板１ａの他方の表面には給電素子２を中心として給電素子２の端辺と各無給電素子３ａ〜３ｄの端辺の一部とが対向するよう斜め方向、且つ対称な位置に複数の無給電素子３ａ〜３ｄが形成されている。各無給電素子３ａ〜３ｄに接続された伝送線路６ａ〜６ｄの長さを調節し、切替スイッチ８ａ〜８ｂの状態を適宜、切り替えたときに各無給電素子３ａ〜３ｄは独立して導波器またはゲインが０ｄＢと殆ど電波ビームが放射されない反射器として作用する。ここでは図示しない電波方向制御回路２１により、無給電素子３ａ、３ｂを導波器、無給電素子３ｃ、３ｄを反射器として作用させ電波ビームをφ１放射方向（図中左方向）へ、無給電素子３ｂ、３ｃを導波器、無給電素子３ａ、３ｄを反射器として作用させ電波ビームをφ２放射方向（図中下方向）へ、無給電素子３ｃ、３ｄを導波器、無給電素子３ａ、３ｂを反射器として作用させ電波ビームをφ３放射方向（図中右方向）へ、無給電素子３ａ、３ｄを導波器、無給電素子３ｂ、３ｃを反射器として作用させ電波ビームをφ４放射方向（図中上方向）へ、電波ビームを順次、切替えて放射する。このとき、φ１放射方向とφ３放射方向とが略対称、φ２放射方向とφ４放射方向とが略対称な方向となる。
【００４２】
図８は、図７に示した高周波スイッチの前方における被被検知体の動きに対し、ドップラーセンサ１１から出力された検知信号に基づいて、動作方向識別手段にて移動方向を識別するタイミングチャートである。
高周波スイッチの前方から被検知体が接近したときドップラーセンサ１１から出力された検知信号ａに対し、動作方向識別手段に備えた第１演算部では検知信号ａの電圧振幅値が所定の閾値を超えてから下回るまでの間、電波ビームが１巡する毎に、被検知体からの反射強度（電圧振幅値）の大きさに基づき順位を算出している。そして、第２演算部では最初（動作の始点）となる（ｎ＋１）巡目に被検知体からの反射強度が最も大きかったφ１放射方向を基準として、（ｎ＋２）巡目、（ｎ＋３）巡目は被検知体の動きが連続であることを認識し、最後（動作の終点）となった（ｎ＋４）巡目にφ１放射方向と、略対称な放射方向となるφ３放射方向とで被検知体からの反射強度を比較し、反射強度の大きい放射方向がφ１放射方向であることから、被検知体は図中左方向側から高周波スイッチに接近したが前方を横断するまでには至らなかったことを識別する。
同様に、高周波スイッチの前方を被検知体が横断したときドップラーセンサ１１から出力された検知信号ｂに対し、第１演算部で順位を算出して第２演算部で最初となる（ｎ＋１）巡目に被検知体からの反射強度が最も大きかったφ１放射方向を基準として、最後となった（ｎ＋４）巡目にφ１放射方向と、略対称な放射方向となるφ３放射方向とで被検知体からの反射強度を比較し、反射強度の大きい放射方向がφ３放射方向であることから、被検知体は図中左方向側から図中右方向側へ高周波スイッチの前方を横断したことを識別する。
また、（ｎ＋２）巡目と（ｎ＋３）巡目で、φ１放射方向とφ３放射方向にて被検知体からの反射強度の大きさが反転するが、２つの放射方向にて反射強度が所定の閾値（段落００３７にて前述した第１閾値以上）以上であれば、この時点で被検知体は図中左方向側から図中右方向側へ高周波スイッチの前方を横断したことを識別することも可能である。
このように第２演算部にて識別された移動方向に基づいて、負荷駆動手段３１から駆動信号が出力される。
【００４３】
高周波スイッチの操作面に被検知体が接近する方向を識別し、被検知体が接近する方向に応じて複数の負荷を駆動する（例えば、水栓から水または湯を吐水させる）場合、例えば、左右方向に電波ビームを放射する高周波スイッチの操作面に対し、左方向に放射される電波ビームの最大強度放射方向と対向するように左手を接近させる、右方向に放射される電波ビームの最大強度放射方向と対向するように右手を接近させれば、誤検知することなく接近方向を識別することができる。しかしながら、左方向に放射される電波ビームに対して右手を接近させようとすると、右方向に放射される電波ビームと交錯する状態が生じるため、検知エリア内に進入した方向だけで接近方向を識別しようとすると誤検知する可能性がある。従って、正確に接近方向を検出しようとすると、特に操作面から被検知体までの距離が近い場合、操作面前方に接近する手の動きと操作面前方を横断する手の動きとを識別する必要がある。
本発明によれば、操作面の前方から接近する被検知体の動きと操作面の前方を横断する被検知体の動きとを識別することができるため、手の差し出す方向に影響を受けず、操作面に接近する手の接近方向を精度良く識別し、負荷を駆動することができる。
【００４４】
本発明の高周波スイッチは、スイッチの操作面前方にて被検知体が接近または横断する移動方向を精度良く識別し負荷を駆動することができるが、動作方向識別手段３１は被検知体の移動方向に対し識別した結果を全て識別信号として出力する必要は無く、被検知体の移動方向に対し予め動作する負荷を設定する負荷設定手段４２の設定状態に応じて必要な識別信号だけを出力すれば良い。
また、負荷設定手段４２においても、動作方向識別手段３１から出力された識別信号に対して必ず駆動信号を出力する必要は無く、負荷の駆動状態に応じて駆動信号を出力すれば良い。
また、負荷設定手段４２は、動作方向識別手段３１から出力された接近方向の識別信号を受け付けて駆動信号を出力する期間と、横断方向の識別信号を受け付けて駆動信号を出力する期間とを異ならせる、同一の識別信号を受け付けても負荷の駆動状態に応じて動作させる負荷を異ならせる等、用途や使用勝手に応じて自由に設定することができる。
【００４５】
一般的に、操作面５２に接近する動作はボタンを押す動作に似ているため負荷のデジタル（ＯＮ／ＯＦＦ）操作に適用し、操作面５２前方を横断する動作はボリュウム等をスライドさせる動作に似ているため負荷のアナログ（可変）操作に適用すると、使用者の使い慣れた操作感覚と合致しやすくなり操作性が向上する。
例えば、水栓機器に高周波スイッチ５１を設置し、お湯と水を選択（デジタル的要素）するときは操作面５２に手や指が接近する動作、吐水流量の調整（アナログ的要素）をするときは操作面５２前方を手や指が縦断する動作とした場合、図９に示すように電波ビームを上下左右の４方向に切り替えて放射する高周波スイッチ５１を筐体６１に収納し、手や指の接近方向を識別してお湯または水の吐水を開始するため駆動信号を出力する電波ビームの放射方向は操作面に対し左右方向（放射方向φ１、φ３）、手や指の縦断方向を識別して吐水流量を増加減少させるための駆動信号を出力する電波ビームの放射方向は操作面５２に対し上下方向（放射方向φ２、φ４）と、デジタル的要素とアナログ的要素を選択する手指の動作を完全に分離するよう負荷設定手段４２に予め設定すると、操作の混乱を招くことも無く操作性が向上する。そして、図１０に示す制御フローチャートに基づいて、負荷駆動手段から出力される駆動信号のタイミングを制御すれば、使用勝手に優れた水栓機器を提供できる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明における高周波スイッチの第１実施形態を示す、ブロック図である。
【図２】同、（ａ）正面図および（ｂ）側面図である。
【図３】被検知体の移動速度とドップラーセンサから出力される検知信号周期との関係を示すグラフである。
【図４】ドップラーセンサから出力される検知信号の模式図である。
【図５】本発明における高周波スイッチの第２実施形態を示す、正面図である。
【図６】本発明における高周波スイッチについて、電波ビームの最大強度放射方向を比較した上面視図である。
【図７】本発明における高周波スイッチの第３実施形態を示す、正面図である。
【図８】同、タイミングチャートである。
【図９】本発明における高周波スイッチを備えた水栓機器の操作部を示す、正面図である。
【図１０】同、制御フローチャートである。
【図１１】本発明における高周波スイッチの第４実施形態を示す、上面視図である。
【図１２】スイッチ中心からの距離とスイッチから見た移動速度との関係を示す、（ａ）説明図および（ｂ）グラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１ａ、１ｂ 基板
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 給電素子
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 無給電素子
４ 接地電極
５ 給電孔
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 伝送線路
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 導通孔
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 切替スイッチ
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 制御線
１１、１１ａ、１１ｂ ドップラーセンサ
１２ 発振器
１３ アンテナ
１４、１４ａ、１４ｂ 検波器
１５ 金属ケース
１６ リード線
２１ 電波方向制御回路
３１ 動作方向識別手段
３２ 第１演算部
３３ 第２演算部
３４ 記憶手段
４１ 負荷駆動手段
４２ 負荷設定手段
４３ 負荷駆動回路
５１ 高周波スイッチ
５２ 操作面
６１ 筐体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用者が負荷を駆動するためのスイッチ技術に関し、特に、電波ビームを利用したスイッチ技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、埋込型の配線器具として使用されるスイッチにおいて、電波ビームを利用したドップラーセンサを内蔵し、スイッチに接近する使用者の手や指の動きを検出して負荷を駆動するスイッチが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１６４７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術記載のスイッチは、内蔵したドップラーセンサによりスイッチ前方へ電波ビームを放射し、スイッチの操作面に接近する使用者の手や指の動きに対し出力されたアナログ的な検知信号に基づいて負荷を駆動制御している。
しかしながら、スイッチ操作は用途に応じて様々であり、機械的に接点を接触させるスイッチについても押しボタン式とスライド式があるように使用者の手や指がセンサに接近したことを検知し負荷を駆動制御するスイッチだけでは全ての用途に対して対応できない。例えば、水栓機器においては上下左右にレバーを操作し水栓から吐水される水の温度や流量を切り替えているが、使用者が慣れ親しんだ操作をスイッチ操作で行おうとした場合、使用者の手や指がセンサ前方を横断する移動方向を識別し負荷を駆動する必要がある。
一方、被検知体の移動速度が一定のときドップラーセンサから出力される検知信号について、センサ前方から被検知体が接近する動作とセンサ前方を被検知体が横断する動作とを比較したとき、前者は、常に同じ周波数の検知信号が出力され、被検知体の移動速度が速いほど周波数が高く、逆に被検知体の動きが遅くなり停止状態に近づくほど周波数が低い検知信号が出力される。検知信号の振幅電圧は周波数の高低に依存し、周波数が高いと大きくなり周波数が低いと小さくなる。しかし、後者は図１２に示すように被検知体の移動速度に関係なくセンサの中心に近づくほど低い周波数の検知信号が出力されるため、被検知体がセンサ前方を横断する移動速度が速くても、センサの中心部では周波数が極端に低い検知信号が出力される。
従って、電波ビームが放射される放射面に対し鉛直方向に電波ビームを放射するドップラーセンサを略平坦な操作面の背後に複数、並べて配置し、操作面に対し鉛直方向に複数の電波ビームを切り替えながら放射するスイッチだと、各ドップラーセンサから出力される検知信号の周波数や電圧振幅値に基づいて、スイッチ前方における被検知体が横断する移動方向を、正確に識別することは困難であり、誤検知により使用者が意図しない負荷が駆動する可能性がある。
【０００５】
従って、本発明の目的は、スイッチの操作面前方にて使用者の手や指が接近または横断する移動方向を精度良く識別し、負荷を駆動するスイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、電波ビームを複数の方向へ放射し、各放射方向毎に被検知体の動きを周波数に換算し、検知信号として外部に出力するセンシング手段と、前記検知信号に基づいて、前記被検知体が前記センシング手段の前方を横断する移動方向を算出し、識別信号として外部に出力する動作方向識別手段と、前記識別信号に基づいて、直接または間接的に負荷を駆動するための駆動信号を出力する負荷駆動手段と、負荷の駆動を操作する操作面とを有する高周波スイッチであって、複数の方向へ放射される電波ビームは全て、前記操作面に対し鉛直方向から所定の方向へ傾けて放射されることを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成するために請求項２記載の発明は、複数の方向へ放射される電波ビームは、前記操作面の中心点を基準とし略対称となる方向に放射されることを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成するために請求項３記載の発明は、前記センシング手段は、電波ビームを繰り返し、複数の方向へ所定の切替順序および切替速度にて放射し、各放射方向毎に被検知体の動きを周波数に換算し順次、検知信号として外部に出力するドップラーセンサであることを特徴とする。
【０００９】
上記目的を達成するために請求項４記載の発明は、前記センシング手段は、送信波を発生する発振器と、前記送信波が直接、供給される給電素子と、該給電素子が励振することにより励起される複数の無給電素子と、複数の前記無給電素子に各々、接続され高周波信号の通過または遮断を選択できる複数の切替スイッチと、複数の前記切替スイッチの切替順序および切替速度を制御する電波方向制御回路と、前記送信波と前方に放射された前記送信波が前記被検知体に衝突し反射して戻ってきた反射波との周波数の差分を抽出する検波器とを備え、複数の前記無給電素子は、前記給電素子を中心として略対称な位置に配置されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、スイッチの操作面前方にて使用者の手や指が接近または横断する移動方向を精度良く識別し、負荷を駆動するスイッチを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明における高周波スイッチについて説明する。
尚、以下実施例における図面の基板の厚みやパターン寸法は説明の都合上、実際の形状とは異なる。
図１は、本発明における高周波スイッチの第１実施形態を示す、ブロック図である。
【００１２】
本発明の高周波スイッチは、検知エリア内における手や指、或いは足等の被検知体の動きを認識するためのセンシング手段として、電波ビームを繰り返し、複数の方向へ所定の切替順序および切替速度にて放射し、各放射方向毎に被検知体の動きを周波数に換算し順次、検知信号として外部に出力するドップラーセンサ１１と、ドップラーセンサ１１から出力された検知信号に基づいて、被検知体がドップラーセンサ１１の前方を横断する移動方向を算出し、識別信号として外部に出力する動作方向識別手段３１と、動作方向識別手段３１から出力された識別信号に基づいて、直接または間接的に負荷を駆動するための駆動信号を出力する負荷駆動手段４１とを備え、ドップラーセンサ１１から電波ビームが放射される放射面の前方に所定の間隔を設け、且つ放射面と平行に図示しない操作面５２が配置される。
【００１３】
ドップラーセンサ１１は、電波ビームとして前方に放射される送信波を発生する発振器１２と、送信波が直接、供給される給電素子２と、給電素子２が励振することにより励起される複数の無給電素子３ａ、３ｂと、複数の無給電素子３ａ、３ｂに各々、接続され高周波信号の通過または遮断を選択できる複数の切替スイッチ８ａ、８ｂと、複数の切替スイッチ８ａ、８ｂの切替順序および切替速度を制御する電波方向制御回路２１と、送信波と前方に放射された送信波が被検知体に衝突し反射して戻ってきた反射波との周波数の差分を抽出する検波器１４とを備え、複数の無給電素子３ａ、３ｂに各々、接続された切替スイッチ８ａ、８ｂを適宜、切り替えることにより、電波ビームを複数の方向へ放射することができる。また、ドップラーセンサ１１は電波ビームを利用しているため陶器や樹脂を透過する性質を有しているため、放射面の前方に配置される図示しない操作面５２の材質が陶器や樹脂であれば、ほぼ同じ電波ビームの放射形態にて前方に電波ビームを放射できる。また、本発明の高周波スイッチは非接触にて操作が可能なためドップラーセンサ１１の放射面自体を操作面５２として使用することもできる。以下、実施例において操作面５２について説明を省略するが、電波ビームの放射面は操作面５２の背後にあり、電波ビームの放射形態に殆ど影響を与えないことを前提としている。
【００１４】
動作方向識別手段３１は、複数の方向へ電波ビームが放射され、１巡する毎に、ドップラーセンサ１１から出力された検知信号に基づいて、各放射方向における被検知体からの反射強度の順位を算出し、順位信号として外部に出力する第１演算部３２と、順位信号に基づいて、被検知体の移動方向を算出し、識別信号として外部に出力する第２演算部３４とを備え、検知エリア内における被検知体の移動方向を識別することができる。
【００１５】
負荷駆動手段４１は、予め識別信号に対し動作させる負荷を設定する負荷設定手段３２と、動作方向識別手段３１から出力された識別信号と負荷設定手段３２の設定に基づいて駆動信号を出力する負荷駆動回路３３とを備え、検知エリア内における被検知体の移動方向に応じて、負荷を駆動するための駆動信号を有線または無線にて出力することができる。
【００１６】
図２は、本発明における高周波スイッチの第１実施形態を示す、（ａ）正面図および（ｂ）側面図である。
図２に示す高周波スイッチは、ドップラーセンサ１１と動作方向識別手段３１とを一体化して備えており、基板１ａの一方の表面には発振器１２と検波器１４と検知信号を増幅する図示しない信号増幅回路を配置し、金属ケース１５によりシールドしている。発振器１２（電界効果トランジスタと誘電体共振器を利用し送信波を生成）にて生成された送信波は給電孔５を介し基板１ａの他方の表面に形成された給電素子２に供給される。給電孔５はインピーダンスが５０Ωとなる給電素子２の内部（Ｌ１＜Ｌ２）に設けられているため、給電素子２のみが基板１ａ表面に形成された場合、給電素子２から放射される電波ビームは基板１ａ面（以下、放射面）に対し鉛直方向、且つ励振方向側の直径が長い楕円形状として前方に放射される。給電素子２は使用周波数の約半波長（λｇ／２：λｇ…基板１ａを伝搬する高周波信号（送信波）の波長である。また、真空中における高周波信号の電波の波長をλ、基板１ａの比誘電率をεｒとすると、λ＝εｒ１/２・λｇである。）の長さＬを少なくとも一辺にもつ矩形状の薄膜電極である。
基板１ａの他方の表面には送信波が直接、供給される給電素子２と、給電素子２にて励起される給電素子２と略同一形状の複数の無給電素子３ａ、３ｂが給電素子２の励振方向と直交する端辺と対向する位置に各々、所定の間隔を空けて、給電素子２を基準とし略対称な位置に形成され、各無給電素子３ａ、３ｂの励振方向と直交し、且つ給電素子２と隣接しない端辺の略中央部には薄膜の伝送線路６ａ、６ｂの片端が各々、接続されている。そして、伝送線路６ａ、６ｂの他端には、基板１ｂに備えた電波方向制御回路２１から制御線９ａ、９ｂに所定の電圧を印加することにより高周波信号（送信波）を通過または遮断する切替スイッチ８ａ、８ｂの入力端が各々、独立して接続されている。切替スイッチ８ａ、８ｂの出力端は、基板１ａ内部の略全面に形成された高周波信号のグランドとして作用する接地電極４に導通孔７ａ、７ｂを介し各々、接続されている。切替スイッチ８ａ、８ｂは、使用周波数において高周波信号を通過または遮断できる機能を保有していれば良く、ダイオードや電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタ、トランジスタ等を複合し高機能化した半導体スイッチ（ＭＭＩＣ）、ＭＥＭＳスイッチ等を使用できる。例えば、切替スイッチ８ａ、８ｂに電界効果トランジスタを用いた場合、各ドレイン端子を入力端とし所定の長さに設定された伝送線路６ａ、６ｂの片端に、各ソース端子を出力端として接地電極４に各々接続し、各ゲート端子を制御線９ａ、９ｂに接続する。そして、電波方向制御回路２１からリード線１６ａ、１６ｂを介し制御線９ａ、９ｂに一定の直流電圧を印加すれば、各切替スイッチ８ａ、８ｂの入力端から出力端へ高周波信号を通過または遮断し、切替スイッチ８ａ、８ｂが一方の状態のときは各無給電素子３ａ、３ｂを導波器として、切替スイッチ８ａ、８ｂが他方の状態のときは各無給電素子３ａ、３ｂを反射器として各々、独立して作用させることができる。本発明の高周波スイッチは、無給電素子３ａが導波器として作用するとき無給電素子３ｂは反射器として作用し、無給電素子３ｂが導波器として作用するとき無給電素子３ａは反射器として作用するよう、電波方向制御回路２１にて制御される。従って、無給電素子３ａ、３ｂは給電素子と略同形状ではあるが、伝送線路６ａ、６ｂの長さを所定の長さに設定し切替スイッチ８ａ、８ｂを適宜、切り替えることにより無給電素子３ａ、３ｂの何れか一方を導波器、他方を反射器として作用させることができ、放射面に対し鉛直方向から所定の放射方向φ１（図中、上方向）と、放射方向φ２（図中、下方向）に指向性利得が比較的高い、電波ビームを放射することができ、被検知体の動きが小さくても比較的高い電圧振幅値を得ることができ、移動方向を識別することができる。さらに、給電素子２を中心として略対称な位置に無給電素子３ａ、３ｂを配置しているため、電波ビームの放射方向φ１と放射方向φ２のゲインは略同一となるため、基板１ｂに備えた動作方向識別手段３１にて各放射方向における被検知体からの反射強度の順位を算出すれば、被検知体の移動方向を容易に識別することが可能となる。給電素子２の略中心部を基準とし放射面に対し鉛直方向から傾いて放射される電波ビームの放射方向φ１、放射方向φ２とは、電波ビームの最大強度放射方向を指し、θ１およびθ２は放射面に対し鉛直方向から電波ビームが傾いている角度を指す。電波ビームの放射特性を考慮すると、θ１およびθ２が±５°の範囲は放射面に対し鉛直方向に電波ビームが放射されていると見なすことができる。
【００１７】
基板１ｂに備えた電波方向制御回路２１は、切替スイッチ８ａ、８ｂの切替順序および切替速度を制御するための図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置）と図示しない切替駆動回路とから構成され、ＣＰＵには予め切替スイッチ８ａ、８ｂの切替順序および切替速度に応じた切替信号が制御線９ａ、９ｂに出力されるようプログラミングされている。
電波ビームを複数の方向に切り替えて放射し、被検知体が動作する方向に応じて複数の負荷を駆動する複合機能（例えば、水栓から水または湯を吐水させる、吐水する流量や温度を切替る）のスイッチとして使用する場合、電波ビームを複数の方向に切り替えて放射すると、電波ビームの同一放射方向においてドップラーセンサ１１から連続的に検知信号を得ることができない。また、ドップラーセンサ１１から放射される電波ビームは、赤外線を利用したセンサと比較すると検知範囲（半値角）が広いため、例えば、放射面の中心を基準として対称となる２方向に電波ビームを切り替えて放射させたとき、最大強度放射方向は対称となっても電波ビームが重複する範囲が発生する。さらに、メインビームの放射方向とは略対称となる方向にサイドローブ（不要放射）が発生する。その結果、一方の電波ビーム放射方向側にて被検知体が動作していたとしても、２つの電波ビームの放射方向にて被検知体が動作している検知信号が得られ、ドップラーセンサから被検知体までの距離が短くなるほど、検知信号の周波数だけで被検知体が動作する方向を識別すると誤検知する可能性が高くなる。従って、各放射方向における検知信号の周波数から被検知体の動く方向を精度良く識別することは困難である。
【００１８】
そこで、切替スイッチ８ａ、８ｂを適宜、切り替え電波ビームの放射方向を制御する際、電波ビームの切替速度は１方向における電波ビームの放射時間により決定するが、使用者が負荷を駆動する意思があることを認識するため予め設定された被検知体が移動する最低移動速度と、ドップラーセンサの使用周波数に基づいて電波ビームの放射時間を設定することが望ましい。そうすれば、検知エリア内にて被検知体が動作する方向を各放射方向毎の電圧振幅値を比較することで容易に判別することができる。
特に、最低移動速度と使用周波数とから算出される検知信号の半周期から１周期にに要する時間に基づいて電波ビームの放射時間を設定すれば、小さい動き（動作時間が短い）でも精度良く判別できる。
【００１９】
また、電波ビームを３方向や４方向と多数の方向に切り替えて放射し、被検知体が動作する方向を識別したい場合、各放射方向における放射時間が長くなると複数の方向へ電波ビームを放射し１巡したときの時間が長くなるため、被検知体の移動速度が速くなる、被検知体の移動距離が短くなるほど、被検知体が動作する方向を識別することが困難となる。従って、使用者が負荷を駆動する意思があることを認識するため予め設定された被検知体が移動する移動速度と移動距離から算出された移動時間を、複数の方向へ切替えて放射される電波ビームの放射方向数で割った時間に基づいて電波ビームの放射時間を設定すれば、被検知体の移動速度が速くなっても検知エリア内で被検知体が動作する方向を各放射方向毎の電圧振幅値を比較することで容易に判別することができる。
【００２０】
被検知体の移動速度に対してドップラーセンサから出力される検知信号の周期（周波数）は、Ｖ＝Ｃ÷（２×Ｆｓ×Ｔ）より決定される。Ｖは被検知体の移動速度［メートル／秒］、Ｃは光速［３００×１０６メートル／秒］、Ｆｓは送信波の周波数［ヘルツ］、Ｔは検知信号の周期［秒］である。図３に示すグラフは、送信波の周波数が１０．５ＧＨｚ（移動体検知センサとして屋内での使用が国内で認められている周波数）と、２４．０ＧＨｚ（移動体検知センサとして屋内・屋外での使用が国内で認められている周波数）における被検知体の移動速度とドップラーセンサから出力される検知信号の周期との関係を示しているが、送信波の周波数が高くなるほど移動速度に対して検知信号の周期が短くなることがわかる。即ち、電波ビームを複数の方向へ切り替えて放射し被検知体の移動方向を検出する場合、送信波の周波数を高くするほど、被検知体の移動速度や移動距離の影響を受けなくなる。
【００２１】
電波方向制御回路２１から常時、切替信号を出力する必要は無く、検知エリア内に被検知体が進入したことをドップラーセンサ１１または別の検知手段により検知してから切替信号の出力を開始しても良い。そうすれば、省電力にて移動方向を識別できるスイッチを提供できる。
【００２２】
基板１ｂに備えた動作方向識別手段３１は、ドップラーセンサ１１から出力された検知信号を増幅する図示しない信号増幅回路と信号増幅回路にて増幅された検知信号に基づいて、検知エリア内における被検知体の移動方向を識別し負荷駆動手段に識別信号を出力するためのＣＰＵとから構成されている。
ドップラーセンサ１１から出力された検知信号を増幅する際、図示しない信号増幅回路（オペアンプ等）の増幅率を大きくし過ぎると検知信号の電圧ピーク値が電源電圧範囲内にて振り切れ、検知信号がサイン波から矩形波に変化してしまう。そうすると、各放射方向における検知信号の周波数から被検知体の動く方向を精度良く識別することが困難となる。従って、図４に示すように被検知体が検知エリアに存在しないときの検知信号の電圧値レベルは、被検知体が検知エリアの前方にて移動状態にあるときの検知信号がスイングする最大電圧範囲Ｖｓの略中央値Ｖ０に設定することが望ましい。そうすれば、各放射方向における検知信号の電圧振幅値から被検知体の動く方向を精度良く識別することができる。
【００２３】
増幅された検知信号は図示しないＣＰＵのアナログ電圧をデジタル電圧に変換する機能を有したＡＤ変換機能ポートに入力される。検知エリアにおける被検知体の連続した動きに対し、複数の方向へ電波ビームを放射しドップラーセンサ１１から出力された検知信号の電圧振幅値が所定の閾値を超えたとき、第１演算部３２にて電波ビームの放射方向が１巡する毎に、検知信号の電圧振幅値に基づいて、各放射方向における被検知体からの反射強度の比較を開始し、順位を算出する。
被検知体が手や指などの丸みを帯びた立体形状の場合、ドップラーセンサ１１から出力される検知信号は必ずしも電圧のプラス方向側とマイナス方向側に対称的なサイン波形として出力されない。従って、電波ビームの各放射方向毎に電圧値を比較する場合は、電圧振幅値で比較することが好ましい。さらに、検知信号の電圧振幅値は移動速度（周波数）に依存し増加減することを考慮すると、図４に示すように検知信号の略中央値をＶ０とすると、Ｖ０を基準として電圧振幅値を算出することが望ましい。Ｖ０よりも高い電圧にてピークが得られた点をＶｐ、Ｖ０よりも低い電圧にてピークが得られた点をＶｂとすると、振幅電圧値は（Ｖｐ−Ｖ０）−（Ｖ０−Ｖｂ）から算出すれば良い。そうすれば、電波ビームの放射方向が１巡する毎に各放射方向における被検知体からの反射強度の比較を行い、検知エリア内にて被検知体が動作する方向を容易に認識することができる。また、ＶｐがＶ０よりも低い場合やＶｂがＶ０よりも高い場合、ＶｐやＶｂはＶ０に置換して電圧振幅値を算出すれば、周波数が低くても被検知体の動きが連続であるか否かを容易に認識することができる。
【００２４】
複数の方向へ電波ビームを放射しドップラーセンサ１１から出力された検知信号の電圧振幅値が所定の閾値を超えてから、全ての放射方向において検知信号の電圧振幅値が所定の閾値を下回るまでの間、第１演算部にて算出された順位の算出結果を記憶手段３４に連続的に記憶する。このとき、反射強度が最も高い放射方向、検知エリア内にて被検知体が動作する方向となる。記憶手段３４として、ＣＰＵに内蔵しているＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）もしくはＣＰＵとは別に配置し高速動作でデータの読み書きを電気的に行なうＲＡＭを使用することができるが、電波ビームを放射し１巡する毎に順位を算出し、その結果だけを記憶手段３４に記憶するため、記憶容量が少なくＣＰＵに内蔵されたＲＡＭで対応できる。従って、高周波スイッチの製造コスト削減、コンパクト化を図ることができる。
【００２５】
複数の方向へ電波ビームを放射し１巡したとき、ドップラーセンサ１１から出力された検知信号のうち少なくとも１つの電圧振幅値が所定の閾値を超えたとき、反射強度の最も高い放射方向がドップラーセンサ１１の放射面、即ち操作面５２に被検知体が接近する方向である。例えば、図２に示す高周波スイッチにおいて電波ビームを放射方向φ１と放射方向φ２へと順次、切り替えて繰り返し放射しているとき、放射方向φ１にて検知信号の電圧振幅値が所定の閾値を超え、且つ被検知体からの反射強度が放射方向φ２よりも高い場合、放射方向φ１が被検知体の接近する方向となる。従って、第２演算部３３では放射方向φ１を基準として、記憶手段に記憶された放射方向φ１と放射方向φ２の順位の変化から、被検知体の移動方向を容易に識別することができる。ここでいう、被検知体の移動方向とは、高周波スイッチの操作面５２に対し被検知体が略平行に横断する移動方向、さらには操作面５２に対し被検知体が接近する移動方向とを指し、即ち、被検知体が操作面５２に対し上方向から下方向に移動したのか、下方向から上方向に移動したのか、それとも被検知体が操作面５２に対し上方向から接近してきただけなのか、下方向から接近してきただけなのか、を識別することができる。
そして、第２演算部３３から出力された識別信号に基づいて、負荷駆動手段４１から直接または間接的に負荷を駆動するための駆動信号を有線または無線にて出力する。
【００２６】
また、被検知体の動きが操作面５２に対し接近しているのか、それとも離遠しているのかを識別したい場合、複数の検波器４ａ、４ｂを備え、複数の検知信号をドップラセンサ１１から取り出せば、同一方向においてもその位相関係により被検知体が操作面５２に対して接近しているのか、それとも離遠しているのかを容易に識別することができる。
また、図２に示す高周波スイッチは、電波ビームを上下の２方向に切替えて放射しているため上下方向の1軸だけの識別だが、電波ビームを上下左右の４方向に切替えて放射すれば、２軸にて被検知体の移動方向を識別できる。
【００２７】
以上、本発明の高周波スイッチは、スイッチの操作面前方にて使用者の手や指が接近または横断する移動方向を精度良く識別し、負荷を駆動するスイッチを提供することができる。
また、使用者が非接触にて操作できることは勿論だが、使用者の手や指が操作面５２に触れていても、その移動方向を識別し負荷を駆動することができる。
【００２８】
本実施例のドップラーセンサ１１は、給電素子２と無給電素子３ａ、３ｂから放射される電波ビームを空間にて結合させ電波ビームを傾ける、いわゆる空間ビーム形成方式を採用しているが、基板１ａの他方の表面（放射面）に電力均等分配回路となる伝送線路にて互いに接続された複数の給電素子を形成し、各給電素子の給電点に接続される伝送線路の長さを切替スイッチ（ＳＰＤＴスイッチ等）により切替えて電波ビームを傾ける、いわゆるフェーズドアレイ方式を採用することもできる。但し、電波ビームの制御性や量産性（製造コスト）等を考慮すると、空間ビーム形成方式を採用したドップラーセンサの方が好ましい。また、空間ビーム形成方式は、比較的電波ビームの半値角が広い状態で放射面に対し鉛直方向から所定の方向へ傾けることができるため、手や指の横断する動きをセンシングする場合、電波ビームの放射方向をレーダのように細かく切り替えなくても簡単な切替えにて手や指の連続した動きを検出することができる。
【００２９】
また、給電素子と複数の無給電素子の形状は採用する偏波方式により任意に決定すれば良く、例えば、垂直偏波を採用する場合は略正方形状、円偏波を利用する場合は略正方形の角部を旋回方向に応じてカットすれば良い。
【００３０】
本実施例のドップラーセンサ１１は、放射面側に複数の切替スイッチ８ａ、８ｂを配置したが、放射面とは反対側に配置しても良い。発振器１２や検波器１４の省スペース化もしくは小型モジュール化を図り、切替スイッチ８ａ、８ｂを同一面に配置すれば、放射面に立体的に突出する部品が無くなりフラットにすることができるため、操作面５２の背後に設置しやすく製造時の取扱いが容易となる。
【００３１】
本実施例のドップラーセンサ１１は、基板１ａ内部に接地電極４を形成した積層基板１ａの一方の表面にアンテナ１３として作用する薄膜電極と、他方の表面に発振器１２および検波器１４を配置しているが、アンテナ１３として作用する基板と、発振器１２および検波器１４を配置する基板とを別体にしても良い。そうすれば、アンテナ１３の基板１を取り替えるだけで容易に検知エリアを変更することができる。
【００３２】
本発明の高周波スイッチは、ドップラーセンサ１１と電波方向制御回路２１と動作方向識別手段３１とを一体化して備えているため、電波方向制御回路２１と動作方向識別手段３１の説明にて前述したＣＰＵを兼用することができる。また、高周波スイッチに印加する電源電圧および負荷駆動手段４１から出力される駆動信号用の配線が高周波スイッチから外部に引き出されるだけなので、余計な配線（例えば、切替スイッチを切り替えるための配線）を外部に引き出す必要が無く取り扱いが容易である。
【００３３】
本発明の高周波スイッチは、電波ビームを複数の方向に切替えて放射し被検知体が接近または横断する移動方向を識別し、負荷を駆動するスイッチだが、図１１−（ａ）に示すように放射面５２に対し鉛直方向に電波ビームを放射する複数のドップラーセンサ１１ａ、１１ｂを操作面５２の背後に所定の角度だけ傾けて配置した高周波スイッチ、図１１−（ｂ）に示すように放射面５２に対し鉛直方向から所定の方向に電波ビームを傾けて放射する複数のドップラーセンサ１１ａ、１１ｂを操作面５２の背後に平行に配置した高周波スイッチ等、操作面に対し複数の方向へ放射される電波ビームが全て、鉛直方向から所定の方向に傾けて放射されていれば、操作面の前方にて被検知体が横断する方向を識別することができる。また、複数の方向へ放射される電波ビームが略対称となる方向に放射されると、さらに精度良く横断する方向を識別し、負荷を駆動することができる。
【００３４】
本実施例では、ドップラーセンサ１１から出力された検知信号を比較し易いように、信号を増幅する信号増幅回路、必要な周波数成分のみを抽出するフィルタ回路について詳細は記載していないが、必要に応じてドップラーセンサ１１や動作方向識別手段３１に備えれば良い。
【００３５】
高周波スイッチの操作面５２の前方を被検知体が一定の移動速度で横断する動作に対しドップラーセンサ１１から出力される検知信号は図１２に示すように被検知体の移動速度に関係なく操作面５２の中心に近づくほど低い周波数の検知信号が出力される現象が生じる。また、操作面５２の中心部前方付近は電波ビームが重複する領域でもあるため、この領域を被検知体の移動方向の算出に使用すると誤検知する可能性がある。従って、被検知体が操作面５２の前方を横断する方向を識別するスイッチとして、動作の始点または動作の終点と認識する検知領域を操作面５２の中心に設定することは好ましくない。
【００３６】
電波ビームを複数の方向へ放射したとき、複数の電波ビームが重複する領域を連続動作検知エリア、それ以外の領域を位置検知エリアとすると、図２に示す給電素子２を中心として対称な方向に電波ビームを放射する高周波スイッチの場合、電波ビームが重複しない領域（図中白抜きの部分）、ここでいう位置検知エリア１または位置検知エリア２の何れか一方を被検知体の動作の始点とし、他方を被検知他体の動作の終点とすることが望ましい。一方、電波ビームが重複する領域（図中黒塗りの領域）、ここでいう連続動作検知エリアは、操作面５２前方の被検知体の動きが連続であることを認識できる。給電素子２の前方、即ち操作面５２の中心部前方の領域を横断する被検知体の動きが連続した動きであれば、移動速度に関係なく操作面５２前方を被検知体が横断する動作して容易に識別し、負荷を駆動することができる。
【００３７】
位置検知エリアと連続動作検知エリアの設定は、用途や操作仕様に応じて決定すれば良く、位置検知エリアは検知強度が第一の閾値以上の領域であるとすると、連続動作検知エリアは、検知強度が第一の閾値以下で、且つ第二の閾値以上とする。ここでいう検知強度とは、赤外線や電波を正面に放射する強度、または赤外線や電波を正面に放射し被検知体に衝突し反射して戻ってくる反射強度（反射電力）を指す。本実施例では、電波ビームを複数の方向に切替えて放射し被検知体の移動方向を識別する高周波スイッチを例に挙げて説明するが、放射面に対し鉛直方向に電波ビームを放射する複数のドップラーセンサを操作面の背後に所定の角度だけ傾けて配置した高周波スイッチ、放射面に対し鉛直方向から所定の方向に電波ビームを傾けて放射する複数のドップラーセンサを操作面の背後に平行に配置した高周波スイッチ、あるいは赤外線を前方に照射し被検知体に衝突し戻ってきた反射電力により被検知体の有無を検出する複数の赤外線センサを操作面の背後に平行に配置したスイッチ、前方に存在する被検知体の熱により被検知体の有無を検出する複数の焦電センサを操作面の背後に平行に配置したスイッチ等、スイッチの操作面前方にて被検知体が接近または横断する移動方向を識別して負荷を駆動するスイッチ装置に適用することができる。
【００３８】
例えば、電波ビームを対称な２方向へ切り替えて放射し被検知体に衝突し反射して戻ってくる反射強度で位置検知エリアと連続動作検知エリアを設定する場合、反射強度が第一の閾値以上のときを『１』、第一の閾値以下で、且つ第二の閾値以上のときを『２』、第二の閾値以下のときを『０』とし、電波ビームの放射方向毎に検知信号の反射強度（電圧振幅値）の変化（放射方向φ１，放射方向φ２）として取得したとき、（１，０）⇒（１，２）⇒（２，２）⇒（２，１）⇒（０，１）と、必ず（２，２）または（２，０）または（０，２）の何れか１つが取得できるよう第１閾値と第２閾値を設定すれば、複数の位置検知エリアが重複する領域に連続動作検知エリアを設定することができる。連続動作検知エリアは検知信号の電圧振幅値が小さくなるため、移動方向の判定に使用すると誤検知する可能性があるため、連続動作検知エリアのみの検知情報、前述した例でいうと、（２，２）または（２，０）または（０，２）の何れかが、検知エリア内にて動作する被検知体の動きに対して、最初または最後に得られた場合は駆動信号を出力しないことが望ましい。
【００３９】
図５は、本発明における高周波スイッチの第２実施形態を示す、正面図である。
以下、前述した実施例と重複する部分の記載については説明を省略する。
図５に示す高周波スイッチは、図２に示した高周波スイッチに対し、ドップラーセンサ１１に備えた無給電素子３ａ、３ｂの配置が異なる。基板１ａの他方の表面には送信波が直接、供給される給電素子２と、給電素子２にて励起される給電素子２と略同一形状の複数の無給電素子３ａ、３ｂが給電素子２の励振方向と平行する端辺と対向する位置に各々、所定の間隔を空けて、給電素子２を基準とし略対称な位置に形成されている。複数の切替スイッチ８ａ、８ｂを適宜、切り替え無給電素子３ａ、３ｂの何れか一方を導波器、他方を反射器として作用させることで、電波ビームを放射面に対し鉛直方向から所定の放射方向φ３（図中、左方向）と、所定の放射方向φ４（図中、右方向）に切替えて放射することができる。放射方向φ３、φ４に放射される電波ビームは指向性利得に優れ、且つ半値角が比較的広いため、被検知体の動きが励振方向側の幅方向でバラついても比較的高い電圧振幅値を得ることができる。
【００４０】
図６は、図２に示した高周波スイッチと図５で示した高周波スイッチについて電波ビームの最大強度放射方向を比較した上面視図である。いずれも電波ビームは操作面５２に対し鉛直方向から傾いて放射されているが、図２に示した高周波スイッチの方が大きく傾いている（放射方向φ１、放射方向φ２）。これは給電素子２に対して複数の無給電素子３ａ、３ｂが配置される場所に関係する。給電素子のみが基板表面に形成された場合、給電素子から放射される電波ビームは放射面に対し鉛直方向に放射される。その放射形状は励振方向側の直径が長い楕円形状となり、励振方向と平行する方向の半値角は励振方向と直交する方向の半値角よりも広い。この電波ビームの放射形状が基準となり、給電素子２の周囲に配置された複数の無給電素子３ａ、３ｂの励振状態を切り替えて電波ビームを傾けているため、図２に示した高周波スイッチの方が大きく傾くことになる。
高周波スイッチの操作面５２対し接近する被検知体の動きを検知する場合、図５に示した高周波スイッチの方が傾き角度が少ないため、使用者が操作面５２に指や手を接近させる自然な動きに対応し負荷を駆動できる。逆に、図２に示した高周波スイッチは操作面５２の前方にて使用者が手や指を横断させる自然な動きに対応し負荷を駆動できる。
【００４１】
図７は、本発明における高周波スイッチの第３実施形態を示す、正面図である。図８は、同、タイミングチャートである。
図７に示す高周波スイッチは、図２に示した高周波スイッチに対し、ドップラーセンサ１１に備えたアンテナ１３が異なる。基板１ａの他方の表面には給電素子２を中心として給電素子２の端辺と各無給電素子３ａ〜３ｄの端辺の一部とが対向するよう斜め方向、且つ対称な位置に複数の無給電素子３ａ〜３ｄが形成されている。各無給電素子３ａ〜３ｄに接続された伝送線路６ａ〜６ｄの長さを調節し、切替スイッチ８ａ〜８ｂの状態を適宜、切り替えたときに各無給電素子３ａ〜３ｄは独立して導波器またはゲインが０ｄＢと殆ど電波ビームが放射されない反射器として作用する。ここでは図示しない電波方向制御回路２１により、無給電素子３ａ、３ｂを導波器、無給電素子３ｃ、３ｄを反射器として作用させ電波ビームをφ１放射方向（図中左方向）へ、無給電素子３ｂ、３ｃを導波器、無給電素子３ａ、３ｄを反射器として作用させ電波ビームをφ２放射方向（図中下方向）へ、無給電素子３ｃ、３ｄを導波器、無給電素子３ａ、３ｂを反射器として作用させ電波ビームをφ３放射方向（図中右方向）へ、無給電素子３ａ、３ｄを導波器、無給電素子３ｂ、３ｃを反射器として作用させ電波ビームをφ４放射方向（図中上方向）へ、電波ビームを順次、切替えて放射する。このとき、φ１放射方向とφ３放射方向とが略対称、φ２放射方向とφ４放射方向とが略対称な方向となる。
【００４２】
図８は、図７に示した高周波スイッチの前方における被被検知体の動きに対し、ドップラーセンサ１１から出力された検知信号に基づいて、動作方向識別手段にて移動方向を識別するタイミングチャートである。
高周波スイッチの前方から被検知体が接近したときドップラーセンサ１１から出力された検知信号ａに対し、動作方向識別手段に備えた第１演算部では検知信号ａの電圧振幅値が所定の閾値を超えてから下回るまでの間、電波ビームが１巡する毎に、被検知体からの反射強度（電圧振幅値）の大きさに基づき順位を算出している。そして、第２演算部では最初（動作の始点）となる（ｎ＋１）巡目に被検知体からの反射強度が最も大きかったφ１放射方向を基準として、（ｎ＋２）巡目、（ｎ＋３）巡目は被検知体の動きが連続であることを認識し、最後（動作の終点）となった（ｎ＋４）巡目にφ１放射方向と、略対称な放射方向となるφ３放射方向とで被検知体からの反射強度を比較し、反射強度の大きい放射方向がφ１放射方向であることから、被検知体は図中左方向側から高周波スイッチに接近したが前方を横断するまでには至らなかったことを識別する。
同様に、高周波スイッチの前方を被検知体が横断したときドップラーセンサ１１から出力された検知信号ｂに対し、第１演算部で順位を算出して第２演算部で最初となる（ｎ＋１）巡目に被検知体からの反射強度が最も大きかったφ１放射方向を基準として、最後となった（ｎ＋４）巡目にφ１放射方向と、略対称な放射方向となるφ３放射方向とで被検知体からの反射強度を比較し、反射強度の大きい放射方向がφ３放射方向であることから、被検知体は図中左方向側から図中右方向側へ高周波スイッチの前方を横断したことを識別する。
また、（ｎ＋２）巡目と（ｎ＋３）巡目で、φ１放射方向とφ３放射方向にて被検知体からの反射強度の大きさが反転するが、２つの放射方向にて反射強度が所定の閾値（段落００３７にて前述した第１閾値以上）以上であれば、この時点で被検知体は図中左方向側から図中右方向側へ高周波スイッチの前方を横断したことを識別することも可能である。
このように第２演算部にて識別された移動方向に基づいて、負荷駆動手段３１から駆動信号が出力される。
【００４３】
高周波スイッチの操作面に被検知体が接近する方向を識別し、被検知体が接近する方向に応じて複数の負荷を駆動する（例えば、水栓から水または湯を吐水させる）場合、例えば、左右方向に電波ビームを放射する高周波スイッチの操作面に対し、左方向に放射される電波ビームの最大強度放射方向と対向するように左手を接近させる、右方向に放射される電波ビームの最大強度放射方向と対向するように右手を接近させれば、誤検知することなく接近方向を識別することができる。しかしながら、左方向に放射される電波ビームに対して右手を接近させようとすると、右方向に放射される電波ビームと交錯する状態が生じるため、検知エリア内に進入した方向だけで接近方向を識別しようとすると誤検知する可能性がある。従って、正確に接近方向を検出しようとすると、特に操作面から被検知体までの距離が近い場合、操作面前方に接近する手の動きと操作面前方を横断する手の動きとを識別する必要がある。
本発明によれば、操作面の前方から接近する被検知体の動きと操作面の前方を横断する被検知体の動きとを識別することができるため、手の差し出す方向に影響を受けず、操作面に接近する手の接近方向を精度良く識別し、負荷を駆動することができる。
【００４４】
本発明の高周波スイッチは、スイッチの操作面前方にて被検知体が接近または横断する移動方向を精度良く識別し負荷を駆動することができるが、動作方向識別手段３１は被検知体の移動方向に対し識別した結果を全て識別信号として出力する必要は無く、被検知体の移動方向に対し予め動作する負荷を設定する負荷設定手段４２の設定状態に応じて必要な識別信号だけを出力すれば良い。
また、負荷設定手段４２においても、動作方向識別手段３１から出力された識別信号に対して必ず駆動信号を出力する必要は無く、負荷の駆動状態に応じて駆動信号を出力すれば良い。
また、負荷設定手段４２は、動作方向識別手段３１から出力された接近方向の識別信号を受け付けて駆動信号を出力する期間と、横断方向の識別信号を受け付けて駆動信号を出力する期間とを異ならせる、同一の識別信号を受け付けても負荷の駆動状態に応じて動作させる負荷を異ならせる等、用途や使用勝手に応じて自由に設定することができる。
【００４５】
一般的に、操作面５２に接近する動作はボタンを押す動作に似ているため負荷のデジタル（ＯＮ／ＯＦＦ）操作に適用し、操作面５２前方を横断する動作はボリュウム等をスライドさせる動作に似ているため負荷のアナログ（可変）操作に適用すると、使用者の使い慣れた操作感覚と合致しやすくなり操作性が向上する。
例えば、水栓機器に高周波スイッチ５１を設置し、お湯と水を選択（デジタル的要素）するときは操作面５２に手や指が接近する動作、吐水流量の調整（アナログ的要素）をするときは操作面５２前方を手や指が縦断する動作とした場合、図９に示すように電波ビームを上下左右の４方向に切り替えて放射する高周波スイッチ５１を筐体６１に収納し、手や指の接近方向を識別してお湯または水の吐水を開始するため駆動信号を出力する電波ビームの放射方向は操作面に対し左右方向（放射方向φ１、φ３）、手や指の縦断方向を識別して吐水流量を増加減少させるための駆動信号を出力する電波ビームの放射方向は操作面５２に対し上下方向（放射方向φ２、φ４）と、デジタル的要素とアナログ的要素を選択する手指の動作を完全に分離するよう負荷設定手段４２に予め設定すると、操作の混乱を招くことも無く操作性が向上する。そして、図１０に示す制御フローチャートに基づいて、負荷駆動手段から出力される駆動信号のタイミングを制御すれば、使用勝手に優れた水栓機器を提供できる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明における高周波スイッチの第１実施形態を示す、ブロック図である。
【図２】同、（ａ）正面図および（ｂ）側面図である。
【図３】被検知体の移動速度とドップラーセンサから出力される検知信号周期との関係を示すグラフである。
【図４】ドップラーセンサから出力される検知信号の模式図である。
【図５】本発明における高周波スイッチの第２実施形態を示す、正面図である。
【図６】本発明における高周波スイッチについて、電波ビームの最大強度放射方向を比較した上面視図である。
【図７】本発明における高周波スイッチの第３実施形態を示す、正面図である。
【図８】同、タイミングチャートである。
【図９】本発明における高周波スイッチを備えた水栓機器の操作部を示す、正面図である。
【図１０】同、制御フローチャートである。
【図１１】本発明における高周波スイッチの第４実施形態を示す、上面視図である。
【図１２】スイッチ中心からの距離とスイッチから見た移動速度との関係を示す、（ａ）説明図および（ｂ）グラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１ａ、１ｂ 基板
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 給電素子
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 無給電素子
４ 接地電極
５ 給電孔
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 伝送線路
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 導通孔
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 切替スイッチ
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 制御線
１１、１１ａ、１１ｂ ドップラーセンサ
１２ 発振器
１３ アンテナ
１４、１４ａ、１４ｂ 検波器
１５ 金属ケース
１６ リード線
２１ 電波方向制御回路
３１ 動作方向識別手段
３２ 第１演算部
３３ 第２演算部
３４ 記憶手段
４１ 負荷駆動手段
４２ 負荷設定手段
４３ 負荷駆動回路
５１ 高周波スイッチ
５２ 操作面
６１ 筐体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波ビームを複数の方向へ放射し、各放射方向毎に被検知体の動きを周波数に換算し、検知信号として外部に出力するセンシング手段と、
前記検知信号に基づいて、前記被検知体が前記センシング手段の前方を横断する移動方向を算出し、識別信号として外部に出力する動作方向識別手段と、
前記識別信号に基づいて、直接または間接的に負荷を駆動するための駆動信号を出力する負荷駆動手段と、
負荷の駆動を操作する操作面と、
を有する高周波スイッチであって、
複数の方向へ放射される電波ビームは全て、前記操作面に対し鉛直方向から所定の方向へ傾けて放射されることを特徴とする高周波スイッチ。
【請求項２】
複数の方向へ放射される電波ビームは、前記操作面の中心点を基準とし略対称となる方向に放射されることを特徴とする請求項１記載の高周波スイッチ。
【請求項３】
前記センシング手段は、電波ビームを繰り返し、複数の方向へ所定の切替順序および切替速度にて放射し、各放射方向毎に被検知体の動きを周波数に換算し順次、検知信号として外部に出力するドップラーセンサであることを特徴とする請求項１乃至２何れか１項記載の高周波スイッチ。
【請求項４】
前記センシング手段は、送信波を発生する発振器と、前記送信波が直接、供給される給電素子と、該給電素子が励振することにより励起される複数の無給電素子と、複数の前記無給電素子に各々、接続され高周波信号の通過または遮断を選択できる複数の切替スイッチと、複数の前記切替スイッチの切替順序および切替速度を制御する電波方向制御回路と、前記送信波と前方に放射された前記送信波が前記被検知体に衝突し反射して戻ってきた反射波との周波数の差分を抽出する検波器とを備え、
複数の前記無給電素子は、前記給電素子を中心として略対称な位置に配置されたことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の高周波スイッチ。
【請求項１】
電波ビームを複数の方向へ放射し、各放射方向毎に被検知体の動きを周波数に換算し、検知信号として外部に出力するセンシング手段と、
前記検知信号に基づいて、前記被検知体が前記センシング手段の前方を横断する移動方向を算出し、識別信号として外部に出力する動作方向識別手段と、
前記識別信号に基づいて、直接または間接的に負荷を駆動するための駆動信号を出力する負荷駆動手段と、
負荷の駆動を操作する操作面と、
を有する高周波スイッチであって、
複数の方向へ放射される電波ビームは全て、前記操作面に対し鉛直方向から所定の方向へ傾けて放射されることを特徴とする高周波スイッチ。
【請求項２】
複数の方向へ放射される電波ビームは、前記操作面の中心点を基準とし略対称となる方向に放射されることを特徴とする請求項１記載の高周波スイッチ。
【請求項３】
前記センシング手段は、電波ビームを繰り返し、複数の方向へ所定の切替順序および切替速度にて放射し、各放射方向毎に被検知体の動きを周波数に換算し順次、検知信号として外部に出力するドップラーセンサであることを特徴とする請求項１乃至２何れか１項記載の高周波スイッチ。
【請求項４】
前記センシング手段は、送信波を発生する発振器と、前記送信波が直接、供給される給電素子と、該給電素子が励振することにより励起される複数の無給電素子と、複数の前記無給電素子に各々、接続され高周波信号の通過または遮断を選択できる複数の切替スイッチと、複数の前記切替スイッチの切替順序および切替速度を制御する電波方向制御回路と、前記送信波と前方に放射された前記送信波が前記被検知体に衝突し反射して戻ってきた反射波との周波数の差分を抽出する検波器とを備え、
複数の前記無給電素子は、前記給電素子を中心として略対称な位置に配置されたことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の高周波スイッチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１５８４２７（Ｐ２００９−１５８４２７Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３８４８９（Ｐ２００７−３３８４８９）
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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